TCC-Estudo de Eficiência Energética em Instalações de Ar Comprimido

TCC-Estudo de Eficiência Energética em Instalações de Ar Comprimido

(Parte 1 de 7)

SÃO LEOPOLDO 2011

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia pelo curso de Engenharia Mecânica da Universidade do Vale dos Sinos - UNISINOS

Orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto Wander

SÃO LEOPOLDO 2011

A Deus, por oportunizar esse momento de alegria em minha vida. À CIMPOR pela oportunidade de realizar o presente trabalho em suas instalações e aos colegas de trabalho pelo apoio dado durante a execução.

Aos meus pais, Sergio e Vera, pelo incentivo moral e otimismo. À minha irmã pelo carinho. Aos familiares pelo apoio.

Ao orientador, Dr. Paulo Roberto Wander, pelo conhecimento transmitido, principalmente nos momentos em que o problema não parecia ter solução, me conduzindo da melhor forma possível.

Em especial à minha esposa, Neila, companheira e paciente, dedicada a me dar segurança e forças nas horas mais difíceis.

“O mundo pertence aos otimistas: os pessimistas são meros espectadores.” (Dwight D. Eisenhower)

O presente estudo analisa uma instalação de ar comprimido, tendo como propósito a redução de consumo energético e aumento de disponibilidade de equipamentos. Com base na teoria e aplicação na prática, a metodologia empregada a um baixo custo, é apresentada em quatro condições. A primeira consiste em analisar o ganho em eficiência energética na geração de ar comprimido, através da diminuição da temperatura de admissão do ar em um compressor de parafusos, no qual foi obtida a redução de 0,83% após a alteração de posição de seu bocal de admissão de ar. A segunda condição foi o estudo das linhas de distribuição de ar quanto às suas perdas de carga, onde os valores encontrados e somados à pressão mínima do equipamento estão 0,7 bar abaixo da pressão mínima do compressor, sendo sugerido o aumento de diâmetro de tubulações para uma diminuição da perda de carga e assim redução da faixa de trabalho de carga e alívio da unidade geradora de ar comprimido, que resultará em um menor consumo de energia. A terceira apresenta o custo total de perdas por vazamento de ar e a identificação dos principais pontos de fuga, totalizando 40% de perdas na rede de distribuição, caracterizada como a maior fonte de desperdícios neste trabalho. Na última são obtidos ganhos em aumento da pressão de trabalho e diminuição da variação de pressão, após a avaliação e instalação de um reservatório de ar, bem como a alteração das linhas de consumo das ensacadeiras e aplicadores de sacos, ocasionando assim uma maior disponibilidade operacional dos equipamentos com a eliminação de paradas por motivo de baixa pressão. Os resultados, apresentados ao longo do desenvolvimento, mostraram que a empresa necessita elaborar um plano de ação para atuar corretivamente nas áreas que apresentam um elevado percentual de vazamentos de ar. Paralelamente, realizar estudos de viabilidade de alteração dimensional da linha de distribuição perante as perdas de carga e de melhoria de condicionamento de ar para as unidades geradoras de ar comprimido.

Palavras chave: Ar comprimido. Eficiência energética. Instalações industriais.

This study analyzes a compressed air installation, having as a purpose the reduction of energy consumption and increased of equipment availability. Based on the theory and put into practice, the methodology applied at low cost, is presented in four conditions. The first one consists in analyzing gains in energy efficiency while generating compressed air through the decrease on the admission air temperature in a screw compressor, in which it was obtained a reduction of 0,83% after changing the position of the air admission mouthpiece. The second condition was the study of air distribution lines regarding to its charge losses where the values found and added to the minimum equipment pressure are 0,7 bar below the compressor’s minimum pressure, suggesting an increase in diameter of pipes for decrease in charge losses and a consequent reduction in the working range of the compressed air generating unit, which will result in a lower energy consumption. The third one presents the total cost in losses for air leakage and the identification of the main leakage points, up to 40% of losses are in the distribution network, characterized as the largest source of waste in this work. In the last one, gains are obtained increasing the work pressure and decreasing the oscillation of pressure, after an evaluation and installation of an air storage task, as well as the modification of feed lines of bagging machines and bag applicators, thus increasing operational availability of equipment with the elimination of halts caused by low pressure. The results presented throughout the development process showed that the company must elaborate an connective maintenance plan in areas where there is a high rate of air leakage. At the same time studying the feasibility of distribution lines dimensional change in view of charge losses and air conditioning improvements to the compressed air generating units.

Key words: Compressed air. Energy efficiency. Industrial facilities.

Figura 1.1 Vista aérea da fábrica CIMPOR BRASIL12
Figura 1.2 Vista aérea da área portuária da fábrica CIMPOR BRASIL12
Figura 2.1 Tipos de compressores16
Figura 2.2 Compressores de parafusos17
Figura 2.3 Funcionamento de compressores de parafusos17
Figura 2.4 Reservatório de ar comprimidos21
Figura 2.5 Classificação das tubulações industriais2
Figura 2.6 Diagrama de Moddy27
Figura 2.7 Atuadores pneumáticos modelo FU79 Keystone30
Figura 3.1 Ponto admissão anterior do compressor32
Figura 3.2 Ponto admissão atual do compressor32
Figura 3.3 Diagrama esquemático da sala dos compressores35
Figura 3.4 Vista isométrica da sala dos compressores35
Figura 3.5 Pulmão distribuidor de ar comprimido36
Figura 3.6 Áreas de distribuição de ar comprimido36
Figura 3.7 Diagrama esquemático das linhas de distribuição37
Figura 3.8 Diagrama esquemático dos equipamentos da linha de distribuição A139
Figura 3.9 Vista isométrica da linha de distribuição A139
Figura 3.10 Diagrama esquemático dos equipamentos da linha de distribuição A241
Figura 3.11Vista isométrica da linha de distribuição A241
Figura 3.12 Diagrama esquemático dos equipamentos da linha de distribuição A343
Figura 3.13 Vista Isométrica da linha de distribuição A343
Figura 3.14 Diagrama esquemático dos equipamentos da linha de distribuição A446
Figura 3.15 Vista isométrica da linha de distribuição A447
Figura 3.16 Linha de distribuição A4 antes de alteração53
Figura 3.17 Linha de distribuição A4 após alteração53
Figura 3.18 Pontos de instalação de válvulas de esferas com atuador pneumático57
Figura 3.19 Válvula de esfera tri-partida com atuador pneumático58
Figura 3.20 Linha de distribuição A4 antes da alteração61

LISTA DE FIGURAS Figura 3.21 Linha de distribuição A4 após alteração ............................................................... 61

compressor3
Gráfico 3.2 Distribuição do consumo de ar na fábrica por área47
Gráfico 3.3 Distribuição do consumo de ar na fábrica por equipamento48
Gráfico 3.4 Distribuição de vazamento de ar por área59
Gráfico 3.5 Comportamento anterior da variação da pressão da encacadeiras60

Gráfico 3.1 Comportamento de corrente antes e depois da alteração do ponto de admissão do Gráfico 3.6 Comportamento atual da variação da pressão da encacadeiras ............................ 62

Tabela 2.1 Temperatura do ar de admissão e potência economizada ou incrementada18
/h e Scfm24
Tabela 2.3 Perdas de vazão e potência com vazamentos25
Tabela 2.4 Volume de ar deslocado pelos atuadores modelo 79U Kesytone30
compressor32
Tabela 3.2 Perdas de vazão e potência com vazamentos34
Tabela 3.3 Consumos dos equipamentos da linha de distribuição A137
Tabela 3.4 Consumos dos equipamentos da linha de distribuição A240
Tabela 3.5 Consumos dos equipamentos da linha de distribuição A342
Tabela 3.6 Consumos dos equipamentos da linha de distribuição A44
Tabela 3.7 Perda de cargas dos equipamentos da sala dos compressores49
Tabela 3.8 Perda de cargas dos equipamentos da linha de distribuição A149
Tabela 3.9 Perda de cargas dos equipamentos da linha de distribuição A250
Tabela 3.10 Perda de cargas dos equipamentos da linha de distribuição A351
Tabela 3.1 Perda de cargas dos equipamentos da linha de distribuição A453
Tabela 3.12 Perdas de carga atual e proposta das linhas de distribuição5

Tabela 2.2 Variáveis iniciais em Nm3 Tabela 3.1 Condições de temperatura antes e depois da alteração do ponto de admissão do Tabela 3.13 Perdas de vazão efetiva por área ........................................................................... 58

1 INTRODUÇÃO1
1.1 OBJETIVO1
1.1.1 Objetivo Geral1
1.1.2 Objetivos Específicos12
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO13
1.3 DELIMITAÇÃO DO TRABALHO13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA15
2.1 COMPRESSORES15
2.1.1 Aplicações de Compressores15
2.1.2 Classificação do Tipo de Compressores15
2.1.3 Compressores Rotativos de Parafusos16
2.2 TEMPERATURA DE ADMISSÃO DO AR AMBIENTE18
2.3 RESERVATÓRIO DE AR COMPRIMIDO20
2.4 TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS2
2.4.1 Tubulações para Ar Comprimido23
2.5 VAZÃO NORMAL24
2.6 VAZAMENTOS DE AR COMPRIMIDO25
2.7 PERDA DE CARGA27
2.8 ATUADORES PNEUMÁTICOS29
2.8.1 Cilindros Pneumáticos29
2.8.2 Válvulas Atuadoras Pneumáticas30
3 DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS31
3.1 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE ADMISSÃO DE AR NA COMPRESSÃO31
3.1.1 Alteração do Ponto de Admissão de Ar do Compressor31
3.2 DETERMINAÇÃO DAS PERDAS DE CARGA DA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO34
3.2.1 Relação dos Equipamentos Geradores e Secador de Ar Comprimido34
3.2.2 Relação dos Equipamentos Consumidores de Ar Comprimido35
3.2.2.1 Relação dos Equipamentos Consumidores da Linha de Distribuição A137
3.2.2.2 Relação dos Equipamentos Consumidores da Linha de Distribuição A240
3.2.2.3 Relação dos Equipamentos Consumidores da Linha de Distribuição A342

SUMÁRIO 3.2.2.4 Relação dos Equipamentos Consumidores da Linha de Distribuição A4 .................... 4

3.2.3 Perda de Carga das Tubulações48
3.3 DETERMINAÇÃO DE PERCENTUAIS DE VAZAMENTO DE AR56
3.3.1 Identificação de Vazamentos Global56
3.3.2 Identificação de Vazamentos por Área56
3.4 DIMINUIÇAO DE VARIAÇÃO DE PRESSÃO DE AR COMPRIMIDO60
3.4.1 Alteração da Linha de Distribuição de Ar Comprimido61
3.4.2 Instalação de Reservatório de Ar Comprimido62
4 CONCLUSÃO63
REFERÊNCIAS65
ANEXO A - FATOR DE POTÊNCIA MOTORES CLASSE IP55 WEG67
ANEXO B - DIMENSIONAIS DE TUBOS DE CONDUÇÃO DIN 244068
CONEXÕES69
ANEXO D - COMPRIMENTO EQUIVALENTE VALVULAS E ACESSÓRIOS70
ANEXO E - TABELA PRESSÃO PARCIAL DE VAPOR DE AGUA SATURADO71
DO COMPRESSOR72
COMPRESSOR73

10 ANEXO C - COMPRIMENTO ADIMENSIONAL EQUIVALENTE VALVULAS E ANEXO F - VALORES DE CORRENTE DO PONTO DE ADMISSÃO ANTERIOR ANEXO G - VALORES DE CORRENTE DO PONTO DE ADMISSÃO ATUAL DO ANEXO H - VALORES DE PERDA DE CARGA ............................................................. 74

1 INTRODUÇÃO

Os sistemas de ar comprimido desempenham um papel fundamental como forma de transmissão e acumulo de energia, proporcionando ao homem realizar diversas aplicações no seu cotidiano. Essencial, senão vital, nas instalações industriais, a aplicação pneumática requer cuidados, uma vez que para obtê-la exige um consumo energético.

O percentual de energia elétrica consumida para a aplicação de ar comprimido varia conforme segmento industrial. No setor de vidro é de aproximadamente 20%; no setor de plásticos, 10%; no setor de químico, 7% (CAVALCANTI, 2003). Em levantamento realizado pelo autor em todas as unidades do grupo CIMPOR BRASIL no país, a participação média de utilização do ar comprimido corresponde a 5%.

A forma de tratamento do ar comprimido, tanto na sua geração, em sua rede de distribuição e no seu consumo, tem um impacto imediato na conservação dos equipamentos, no envolvimento de mão-de-obra e reflete automaticamente no financeiro da indústria, em vista disso deve ser usada de maneira correta e racional.

1.1 OBJETIVO

Os objetivos desta monografia estão divididos em objetivo geral e objetivos específicos.

1.1.1 Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é realizar um estudo de oportunidades de melhorias em um sistema de ar comprimido, desde a geração até o consumo, a fim de proporcionar ganhos em eficiência energética e disponibilidade operacional dos equipamentos de uma planta industrial. A aplicação utilizada vem a ser na empresa CIMPOR BRASIL, figura 1.1 e 1.2, que está localizada na cidade de Nova Santa Rita, região metropolitana de Porto Alegre, Estado do Rio Grande do Sul, Brasil.

12 Figura 1.1 Vista aérea da fábrica CIMPOR BRASIL

Fonte: CIMPOR BRASIL (2011) Figura 1.2 Vista aérea da área portuária da fábrica CIMPOR BRASIL

Fonte: CIMPOR BRASIL (2011) 1.1.2 Objetivos Específicos

Para que se possa atingir o objetivo geral, faz-se necessário:

Verificar o comportamento da influência da temperatura de admissão em um compressor de parafusos após alteração do ponto de admissão do ar;

Verificar as tubulações dos equipamentos que apresentam uma excessiva perda de carga pelos critérios de validação adotados;

Determinar os percentuais de vazamentos por áreas para estabelecer critério de atuação corretiva;

Estabilização da variação de pressão em equipamentos para o seu correto funcionamento e aumento de disponibilidade operacional.

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho é estruturado conforme segue:

Capítulo 1: Introdução – apresentação inicial do trabalho. São apresentadas as justificativas, o objetivo geral e os específicos, e a delimitação do trabalho;

Capítulo 2: Revisão da Literatura – suporte teórico e apresentação de equações utilizadas para a realização das melhorias propostas do presente trabalho;

Capítulo 3: Desenvolvimento e resultados – este capítulo apresenta as aplicações da revisão bibliográfica a fim de atender o objetivo geral e os resultados obtidos após o desenvolvimento;

Capítulo 4: Conclusão – serão apresentadas as conclusões e sugestões para trabalhos futuros;

Referências bibliográficas e os anexos: informações técnicas sobre os temas discutidos neste trabalho.

1.3 DELIMITAÇÃO DO TRABALHO

O presente estudo foi estruturado para aplicar ferramentas simples que possam ser reproduzidos a um baixo custo de investimento e obter retornos financeiros nas empresas em um curto prazo.

Sua delimitação desenvolve atuações na geração de ar comprimido, por meio de um estudo do comportamento energético após a variação de temperatura de admissão de um compressor, no tempo a ser estabelecido; nas linhas de distribuição, com a verificação teórica das perdas de cargas das tubulações existentes e da identificação do percentual de vazamento das áreas; e na estabilização da variação de pressão em equipamentos consumidores.

15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nesta seção serão apresentadas definições para um melhor entendimento da estrutura da pesquisa.

2.1 COMPRESSORES

Conforme Rodrigues (1991), os compressores são máquinas que têm por objetivo proporcionar um aumento de pressão de um determinado volume de ar e/ou gás, admitido nas condições atmosféricas, a fim de atender a vazão e pressão de consumo solicitado.

2.1.1 Aplicações de Compressores

Conforme Rocha e Monteiro (2005), as características de um compressor variam de acordo com a sua aplicação. Desta forma é distinguido em 3 classes, sendo elas: serviços ordinários, serviços industriais e serviços especiais.

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